JP2001153684A - 光電式エンコーダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スリット（９）のピッチＰを変えずに、スケ
ール（６）の移動量検出の分解能を上げることができる
光電式エンコーダを提供するを提供する。 【解決手段】 移動方向のスリット（９）の幅Ｓｗを、
ピッチＰの２７％乃至３３％とし、受光手段（８）側で
生成する矩形波のデューティ比を５０％近傍とする。矩
形波の立ち上がりと立ち下がりのいずれのエッジも識別
することなく、スケール（６）の移動情報としてカウン
トできるので、１／２ピッチの分解能が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リニアエンコーダ
やロータリーエンコーダとして用いられる光電式エンコ
ーダに関し、特にスケールのスリットを通過する検出光
を検出することによって、スケールの移動量を検出する
光電式エンコーダに関する。

【０００２】

【従来の技術】光電式エンコーダ１００は、移動体の移
動量を検出して符号化するもので、例えば、ロータリー
エンコーダは、ファクシミリ、ハンディスキャナ等の画
像入力装置において、画像用紙に接して回転するローラ
に連動し、画像用紙の相対移動量を求める為に用いられ
る。

【０００３】従来の光電式エンコーダ１００は、図６に
示すように、検出光を発光するＬＥＤ等の発光素子１０
１と、この検出光を受光するフォトダイオード等の受光
素子１０２を、所定の間隙を隔てて対向配置し、その間
に発光側フィルター板１０３、スケール１０４、受光側
フィルター板１０５を介在させて構成される。スケール
１０４は、検出光の光路を横切り、光路と直交する図中
矢印で示す左右方向に移動自在となっていて、その移動
方向に沿って所定のピッチＰで一定幅のスリット１０４
ａが穿設されることによって、スリット１０４ａと遮光
部１０４ｂが交互に連続している。

【０００４】発光側フィルター板１０３には窓孔１０３
ａが形成され、発光素子１０１の照射光から、受光素子
１０２の方向を光路とする検出光のみを通過させてい
る。

【０００５】また、受光側フィルター板１０５側にも窓
孔１０５ａが形成され、検出光のみを受光素子１０２へ
導光し、受光素子１０２が飽和しないようにしている。

【０００６】スケール１０４が左右（図中上下）いずれ
かに移動すると、光路をスリット１０４ａと遮光部１０
４ｂが交互に横切り、受光素子１０２は、スリット１０
４ａが光路を横切る間、検出光を受光する。

【０００７】光電式エンコーダ１００は、この受光素子
１０２における検出光の受光タイミングからスケール１
０４の移動量を検出し、その移動量を表すデータを出力
するもので、移動量の検出方法を図７で説明する。

【０００８】同図に示すように、スケール１０４が左右
に移動すると、受光素子１０２は、検出光の受光量に応
じた電流値の光電変換信号を出力する。すなわち、この
光電変換信号は、図中断の実線で示すように、スリット
１０４ａと遮光部１０４ｂが光路を横切るタイミングに
同期して変化する波形となり、スリット１０４ａの中心
が光路を横切る際に最大値となり、遮光部１０４ｂの中
心が光路を横切る際に最小値となる。

【０００９】この光電変換信号の立ち上がりと立ち下が
りのタイミングを二値化したデータに置き換えるため
に、シュミットトリガー回路などの振幅比較回路を用い
て図中下段に示す矩形波とする。例えば、シュミットト
リガー回路は、受光素子１０２による光電変換信号の電
圧が上昇して第１しきい値Ｖ_１を越えると、「Ｈ」を出
力し、下降して第２しきい値Ｖ_２以下となると「Ｌ」を
出力する。このようにして形成される矩形波は、スリッ
ト１０４ａと遮光部１０４ｂが光路を横切る毎に立ち上
がりと立ち下がりを繰り返すので、そのいずれかのエッ
ジをカウントし、スケール１０４の移動量を検出するこ
とができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】スケール１０４の移動
方向でのスリット１０４ａの横幅Ｓｗは、遮光部１０４
ｂの横幅Ｂｗとほぼ等しく、すなわち横幅Ｓｗがピッチ
Ｐの約５０％の長さとなっているが、受光素子１０２
が、スリット１０４ａの両側のエッジが光路を通過する
前後においても検出光を受光するので、図７に示すよう
に、光電変換信号から生成した矩形波のパルス幅は、ス
リット１０４ａの横幅Ｓｗより長くなり、Ｈレベルのデ
ューティ比が５０％とならない。

【００１１】シュミットトリガー回路の第１しきい値Ｖ
_１と第２しきい値Ｖ_２を調整すれば、ある程度矩形波の
パルス幅を短くすることができるが、図７に示す光電変
換信号から５０％のデューティ比を得ようとすると、第
１しきい値Ｖ_１を、光電変換信号の最大値近傍の電位に
設定する必要があり、光電変換信号の各ピークを漏れな
く矩形波に変換することが困難となる。また、第２しき
い値Ｖ_２は、シュミットトリガー回路のループ利得によ
って定まり、第１しきい値Ｖ_１以下の電位となるので、
仮に第１しきい値Ｖ_１と等しい電位としても、５０％の
デューティ比は得られない。

【００１２】その結果、立ち上がりと立ち下がりは等し
い周期で表れず、いずれか一方のエッジを検出してスケ
ール１０４の移動量を検出することとなり、ピッチＰよ
り短い分解能は得られないものであった。そこで、高い
分解能を得ようとする場合には、ピッチＰを可能な限り
に短いものとするが、遮光部１０４ｂにおいて所定の強
度を確保しなければならないという構造上の問題と、ス
リットを穿設する加工技術上の問題から限界があった。

【００１３】本発明はこのような従来技術の問題点を考
慮してなされたものであり、スリットのピッチＰを変え
ずに、スケールの移動量検出の分解能を上げることがで
きる光電式エンコーダを提供することを目的とする。

【００１４】また、スリットのピッチＰを従来に比べて
更に短くしても、スケールの強度が劣化することがな
く、スケールの移動量検出の分解能を上げることができ
ることができる光電式エンコーダを提供することを目的
とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１の光電式エンコーダは、検出光を発光側フィル
ター板の窓孔から照射する発光手段と、光路となる間隙
を隔てて発光手段に対向配置され、検出光を受光側フィ
ルター板の窓孔から受光する受光手段と、光路を横切
り、光路と直交する方向に移動自在で、移動方向に所定
のピッチＰでスリットと遮光部が交互に形成されたスケ
ールとを備え、スリットを通過する検出光を受光手段が
受光するタイミングから、スケールの移動量を検出する
光電式エンコーダにおいて、移動方向のスリットの幅Ｓ
ｗを、ピッチＰの２７％乃至３３％としたことを特徴と
する。

【００１６】スリットの幅ＳｗをピッチＰの２７％乃至
３３％とすることによって、光電変換信号から生成され
る矩形波のパルス幅は、スリットの横幅Ｓｗより長く、
Ｈレベルのデューティ比がほぼ５０％となる。その結
果、矩形波の立ち下がりと立ち上がりのいずれも同等の
エッジとしてカウントすることでき、１／２ピッチの分
解能が得られる。

【００１７】スリットの幅ＳｗをピッチＰの２７％未満
若しくは３３％以上とすると、Ｈレベルのデューティ比
が５０％とならず、矩形波の立ち下がりと立ち上がりを
同等のエッジとしてカウントすると、スケールの移動量
検出誤差が生じる。

【００１８】スリットの幅ＳｗをピッチＰの２７％乃至
３３％とすることによって、遮光部は、ピッチＰの６７
％乃至７３％となり、ピッチＰを短くしてもスケールの
強度が劣化しない。従って、ピッチＰを短くして、より
分解能を上げることができる。

【００１９】請求項２の光電式エンコーダは、スケール
の移動方向における発光側フィルター板と受光側フィル
ター板の各窓孔の横幅Ｆｗを、ピッチＰの３６％乃至４
４％としたことを特徴とする。

【００２０】窓孔の横幅Ｆｗを、ピッチＰの３６％乃至
４４％とすると、スケールのスリットを通過する検出光
のみを受光手段で受光でき、安定してＨレベルのデュー
ティ比を５０％とすることができる。

【００２１】窓孔の横幅Ｆｗを、ピッチＰの３６％未満
とすると、デューティ比が５０％以下に減少し、４４％
以上とすると、デューティ比が５０％を越え、また受光
手段における光量が飽和して、検出光の検出ができな
い。

【００２２】請求項３の光電式エンコーダは、スケール
が、回転軸を中心に回転し、スリットと遮光部が、光路
を遮断する円周上に交互に形成されたディスクであり、
検出光を受光手段が受光するタイミングから、ディスク
の回転角度を検出することを特徴とする。

【００２３】ディスクの半径を小さくしても、所定の強
度が得られ、しかも、分解能を上げることができるの
で、ディスク及びディスクに連動するローラ等の部品を
小型化でき、ハンディスキャナ等の機器を薄型、小型化
できる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
る光電式エンコーダを、スケールを円板状のディスク６
としたロータリーエンコーダ１で説明する。

【００２５】図１は、ロータリーエンコーダ１の主要構
成を示す縦断面図であり、左右の絶縁ケースを組み合わ
せてなるハウジング２内に、発光ダイオード（ＬＥＤ）
３と発光側フィルター板４からなる発光手段と、回転軸
５に固定されたディスク６と、受光側フィルター板７と
フォトダイーオード８からなる受光手段がそれぞれ取り
付けられている。

【００２６】ＬＥＤ３とフォトダイオード８は、ハウジ
ング２内で例えば２ｍｍ程度の間隔を隔てて対向するよ
うに取り付けられ、ＬＥＤ３から発光される検出光をフ
ォトダイオード８が受光するようになっている。

【００２７】発光側フィルター板４と受光側フィルター
板７は、それぞれ、ＬＥＤ３の発光面とフォトダイオー
ド８の受光面に沿って取り付けられた円弧状の遮光板で
あり、検出光の光路と交差する位置に縦長矩形の窓孔４
ａ、７ａが穿設されている。受光側フィルター板４の窓
孔４ａは、検出光のみを通過させてその光路を絞るもの
であり、受光側フィルター板７の窓孔７ａは、検出光の
みをフォトダイオード８へ導光させ、フォトダイオード
８の飽和を防ぐものである。

【００２８】すなわち、窓孔４ａは、ＬＥＤ３からディ
スク６の後述するスリット９へ向けて照射される検出光
の全てを通過させながら他の散乱光を遮光し、窓部７ａ
は、スリット９を通過した検出光の全てを通過させなが
ら他の散乱光を遮光するもので、この目的から、窓孔４
ａ、７ａの横幅Ｆｗは、スリット９の横幅Ｓｗより僅か
に幅広に形成される（図３参照）。その具体的な長さに
ついては、後述する。

【００２９】回転軸５は、円柱状の軸本体５ａとその両
側に突設された枢軸５ｂが一体に形成されたもので、枢
軸５ｂがハウジング２のガイド孔２ａに枢支されて、軸
本体５ａがハウジング２内で回動自在となっている。

【００３０】円板状のディスク６は、回転軸５の中心軸
をその中心として、中心軸と直交するように、軸本体５
ａに固定される。この固定された状態で、ディスク６
は、発光側フィルター板４と受光側フィルター板７の間
に介在し、検出光の光路を遮断することとなる。回転軸
５の回転とともにディスク６は、この光路を横切りなが
ら回転し、光路を横切る円形の軌跡（Ｌ）に沿って、図
２に示すように、ピッチＰで径方向に縦長のスリット９
が穿設されている。

【００３１】スリット９は、ディスク６にエッチング加
工して形成するが、ここでは、ピッチＰを０．１８２ｍ
ｍとし、スリット９の軌跡（Ｌ）に沿った横幅Ｓｗを、
エッチングによる加工精度の限界に近いピッチＰのほぼ
３１％の０．０５７ｍｍとしている。その結果、スリッ
ト９、９の間にある遮光部１０の軌跡（Ｌ）に沿った横
幅Ｂｗは、０．１２５ｍｍで、スリット９の横幅Ｓｗと
の比は約３対７となり、ディスク６の強度を保ちつつ、
ピッチＰを短くすることができる。

【００３２】発光側フィルター板４と受光側フィルター
板７の窓孔４ａ、７ａの横幅Ｆｗは、前述のように、ス
リット９の横幅Ｓｗより僅かに幅広となるように、ピッ
チＰのほぼ４０％の０．０７２８ｍｍとしている。

【００３３】このように構成されたロータリーエンコー
ダ１は、例えば、回転軸５をギアを介してハンディスキ
ャナのローラに連動し、ローラの回転量、すなわちハン
ディスキャナの読取画像上の移動量を検出するのに用い
られる。

【００３４】ローラの回転よって回転軸５が回転する
と、回転軸５に固定されたディスク６が回転し、図４に
示すように、スリット９と遮光部１０が、ＬＥＤ３とフ
ォトダイオード８間の検出光の光路を交互に横切る。

【００３５】フォトダイオード８は、スリット９が光路
を横切る間、検出光を受光し、検出光の受光量に応じた
電流値の光電変換信号を出力する。この光電変換信号
は、図５の中段に実線で示すように、スリット９と遮光
部１０が光路を横切るタイミングに同期して変化する波
形となる。

【００３６】図４に示すように、フォトダイオード８の
出力側には、光電変換信号を矩形波に変換するシュミッ
トトリガー回路１１が接続されている。シュミットトリ
ガー回路１１は、図５に示すように、フォトダイオード
８から出力される光電変換信号の電圧が上昇し第１しき
い値Ｖ_１を越えると、次に下降して第２しきい値Ｖ_２以
下となるまで「Ｈ」レベルを出力し、第２しきい値Ｖ_２
以下となると次に第１しきい値Ｖ_１を越えるまで「Ｌ」
レベルを出力する。ここで、第１しきい値Ｖ_１は、光電
変換信号の最大値の１／２以下の電位に設定される。

【００３７】変換した矩形波は、スリット９と遮光部１
０が光路を横切る毎に立ち上がりと立ち下がりを繰り返
すので、これらのエッジをカウントすれば、ディスク６
の移動量（回転量）を検出することができる。

【００３８】本実施の形態による光電変換信号は、図７
の光電変換信号と比較して明らかなように、スリット９
と遮光部１０の横幅の比が３対７となっているので、上
昇してから下降するまでの波形の幅が広く、その結果、
変換した矩形波において、「Ｈ」レベルのパルス幅は、
「Ｌ」レベルとほぼ一致する長さの５０％デューティま
で短くなる。

【００３９】従って、矩形波の立ち上がりと立ち下がり
のエッジは、ディスク６が等角速度で回転すれば、ほぼ
等しい周期で表れ、両者のエッジを識別することなくカ
ウントすることによって、従来の２倍の分解能でディス
ク６の移動量を検出できる。

【００４０】本発明の効果は、スリットの幅Ｓｗをピッ
チＰの２７％乃至３３％とすることにより得られるもの
であり、この範囲外とすると、Ｈレベルのデューティ比
が５０％近傍とならず、矩形波の立ち下がりと立ち上が
りのエッジを識別することなくカウントすると、検出誤
差が生じる。

【００４１】本発明は以上の実施の形態に限定されるこ
となく、種々変形が可能であり、例えば、光電式エンコ
ーダとしては、スリットを形成したスケールを直線的に
移動させ、その移動量を検出するリニアエンコーダであ
ってもよい。

【００４２】また、検出光を受光する受光素子は、フォ
トダイオードに限らず、フォトトランジスタなど他の受
光素子であってもよい。

【００４３】また、本実施の形態においては、光電式エ
ンコーダによってスケールの移動量のみを検出するもの
であったが、一組の光電式エンコーダ用いてスケールの
移動方向と移動量を検出する光電式エンコーダにも利用
できる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、スリットのピッチＰを
変えずに、スケールの移動量検出の分解能を上げること
ができる。

【００４５】また、スケールの強度を劣化させることな
く、スケールの移動量検出の分解能を上げることができ
る。

【００４６】更に請求項２の発明によれば、これに加え
て、検出光のみの確実に受光手段へ導光することがで
き、かつ散乱光が検出光に加わって受光手段の光量が飽
和することがない。

【００４７】更に請求項３の発明によれば、これに加え
て、ディスクの半径を小さくしても、所定の強度が得ら
れ、しかも、分解能を上げることができるロータリーエ
ンコーダとすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る光電式エンコーダ
であるロータリーエンコーダ１の縦断面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿った要部断面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ線に沿った要部断面図である。

【図４】ロータリーエンコーダ１の回路図である。

【図５】本発明に係る光電変換信号と矩形波を示す説明
図である。

【図６】従来の光電式エンコーダ１００を示す縦断面図
である。

【図７】従来の光電式エンコーダ１００による光電変換
信号と矩形波を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 光電式エンコーダ（ロータリーエンコーダ） ３ ＬＥＤ（発光手段） ４ 発光側フィルター板 ４ａ 発光側フィルター板の窓孔 ６ ディスク（スケール） ７ 受光側フィルター板 ７ａ 受光側フィルター板の窓孔 ８ フォトダイオード（受光手段） ９ スリット １０ 遮光部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出光を発光側フィルター板（４）の窓
   孔（４ａ）から照射する発光手段（３）と、 光路となる間隙を隔てて発光手段（３）に対向配置さ
   れ、検出光を受光側フィルター板（７）の窓孔（７ａ）
   から受光する受光手段（８）と、 光路を横切り、光路と直交する方向に移動自在で、移動
   方向に所定のピッチＰでスリット（９）と遮光部（１
   ０）が交互に形成されたスケール（６）とを備え、 スリット（９）を通過する検出光を受光手段（８）が受
   光するタイミングから、スケール（６）の移動量を検出
   する光電式エンコーダにおいて、 移動方向のスリット（９）の幅Ｓｗを、ピッチＰの２７
   ％乃至３３％としたことを特徴とする光電式エンコー
   ダ。
2. 【請求項２】 スケール（６）の移動方向における発光
   側フィルター板（４）と受光側フィルター板（７）の各
   窓孔（４ａ）（７ａ）の横幅Ｆｗを、ピッチＰの３６％
   乃至４４％としたことを特徴とする請求項１記載の光電
   式エンコーダ。
3. 【請求項３】 スケールは、回転軸を中心に回転し、ス
   リット（９）と遮光部（１０）が、光路を遮断する円周
   上に交互に形成されたディスク（６）であり、 検出光を受光手段（８）が受光するタイミングから、デ
   ィスク（６）の回転角度を検出することを特徴とする請
   求項１記載の光電式エンコーダ。